3D打印（3D Printing）是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用可黏合材料，通過疊加打印的方式構(gòu)造三維物體的技術(shù)，又稱增材制造（Additive Manufacturing）。早在2011年，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志就指出這項(xiàng)技術(shù)蘊(yùn)含的巨大影響力：“三維打印使得生產(chǎn)單個(gè)物品與批量生產(chǎn)幾乎一樣便宜，這就削弱了規(guī)模經(jīng)濟(jì)。它對(duì)社會(huì)影響的深遠(yuǎn)程度可能同1450年的印刷機(jī)、1750年的蒸汽機(jī)和1950年的晶體管一樣，沒人能輕易預(yù)料。它迅速發(fā)展著，對(duì)每個(gè)相關(guān)領(lǐng)域都產(chǎn)生著巨大的影響。”時(shí)至今日，3D技術(shù)在工業(yè)、消費(fèi)和社會(huì)文化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

在鋼結(jié)構(gòu)博物館，收藏著一個(gè)利用3D打印技術(shù)制作的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)通高14厘米，通寬10厘米，最大直徑5.4厘米，重500克，自?shī)W雅納荷蘭公司購(gòu)得。

鋼結(jié)構(gòu)博物館館藏3D打印鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

2015年，奧雅納團(tuán)隊(duì)采用增材制造技術(shù)為復(fù)雜建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)了關(guān)鍵的鋼結(jié)構(gòu)部件。據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一莎樂美·蓋亞德（Salomé Galjaard）介紹，這項(xiàng)技術(shù)可以更高效地制造大量復(fù)雜的獨(dú)立設(shè)計(jì)產(chǎn)品，“具有同樣作用的建筑構(gòu)件，使用增材制造技術(shù)要比使用傳統(tǒng)方法制造時(shí)高度低一半，而每個(gè)構(gòu)件的直接重量減少了75％?！绻且粋€(gè)建筑工程，這意味著我們可以將整體結(jié)構(gòu)的重量減少超過40％。但真正令人興奮的是，這種技術(shù)可能被應(yīng)用于任何使用復(fù)雜的、高品質(zhì)金屬制品的行業(yè)?！?/p>

構(gòu)件應(yīng)力對(duì)比云圖

01. 3D打印的歷史

3D打印的概念最早可追溯至1950年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)科普作家雷蒙德·瓊斯（Raymond F. Jones）在文章中首次描述了3D打印中使用的一般概念和步驟。1971年，美國(guó)人約翰內(nèi)斯·哥特瓦爾德（Johannes F. Gottwald）申請(qǐng)了液態(tài)金屬記錄儀專利US3596285A，其工作原理與3D打印類似。1974年，英國(guó)化學(xué)家和作家戴維·瓊斯（David E. H. Jones）在《新科學(xué)家》雜志常規(guī)專欄中提出了3D打印的概念。

3D打印機(jī)

早期的3D打印設(shè)備和材料是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的。1981年，日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男發(fā)明了利用光硬化聚合物制造三維塑膠模型的方法。1984年，三維系統(tǒng)公司的查爾斯·赫爾（Charles Hull）發(fā)明立體光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物將原材料層疊起來，此后他又于1986年成立了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司，專注發(fā)展3D打印技術(shù)。赫爾也被譽(yù)為“3D打印之父”。1995年，麻省理工學(xué)院的兩名學(xué)生把打印機(jī)墨盒里的墨水替換成膠水，用膠水黏結(jié)粉末床上的粉末，打印出立體物品。他們將這種方法稱作3D打印，3D打印從此開始慢慢流行。同年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機(jī)，至2005年，該公司研制成功市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510。

“3D打印之父”查爾斯·赫爾

此后，3D打印持續(xù)在不同領(lǐng)域取得突破。2010年，世界上第一輛由3D打印的汽車Urbee在美國(guó)問世。2011年，英國(guó)南安普敦大學(xué)開發(fā)出第一架3D打印飛機(jī)。2012年，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。2013年，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。同年，美國(guó)3D打印公司“固體概念”（Solid Concepts）設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。2018年，俄羅斯宇航員利用國(guó)際空間站上的3D生物打印機(jī)，在零重力條件下打印出實(shí)驗(yàn)鼠的甲狀腺。同年，荷蘭MX3D公司完成世界上第一座完全3D打印的鋼橋，長(zhǎng)12米。2019年1月14日，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校首次利用快速3D打印技術(shù)，制造出模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，在裝載神經(jīng)干細(xì)胞后植入脊髓嚴(yán)重受損的大鼠脊柱內(nèi)，成功幫助大鼠恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)功能。同年4月15日，以色列特拉維夫大學(xué)以病人自身組織為原材料，打印出全球首顆擁有細(xì)胞、血管、心室和心房的完整心臟。2020年5月5日，中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭搭載3D打印機(jī)升空，這是中國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印實(shí)驗(yàn)。

世界首個(gè)3D打印心臟

02. 原理、過程和應(yīng)用

3D打印與日常普通打印的工作原理基本相同，只是在打印材料上，普通打印機(jī)使用的是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)部裝載的是砂、金屬、陶瓷、塑料等原材料。3D打印機(jī)與電腦相連，通過電腦控制把上述“打印材料”層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖轉(zhuǎn)變成實(shí)物。

3D打印過程的主要環(huán)節(jié)包括建模（三維設(shè)計(jì)）、切片處理和打印。建模是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件或者三維掃描儀，獲得真實(shí)物體的形狀、外表等的電子數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)生成三維電腦模型，切片是將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，最終打印機(jī)對(duì)照切片完成逐層打印。在實(shí)際操作中，可以先用標(biāo)準(zhǔn)分辨率打印一個(gè)比要求稍大的模型，然后用高分辨率的削減程序?qū)⒍嘤嗟牟牧弦瞥?，這樣就能得到更為精確的3D模型。

用于3D打印的CAD模型

基于打印材料和疊加方法的不同，3D打印包含有多種技術(shù)工藝，主要包括擠壓沉積、顆粒結(jié)合、層壓和光聚合等，不同工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。擠壓沉積是使材料熔化或軟化從而產(chǎn)生層，通常適用于熱塑性塑料、共晶系統(tǒng)金屬和可食用材料；顆粒結(jié)合是在顆粒床上對(duì)材料進(jìn)行選擇性融合，適用于幾乎所有合金和熱塑性粉末、塑料等；層壓是使用薄塑料或薄金屬片對(duì)材料進(jìn)行層壓成型，一般用于紙張、金屬膜、塑料薄膜；光聚合是采用立體光刻技術(shù)，從液體中分離固體成品的方法，主要用于光聚合物，如環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯等。除了上述四種主流工藝外，還有金屬線路型和粉末噴墨針頭型兩種方法，前者適用于幾乎所有金屬合金，后者主要用于石膏。

熔融長(zhǎng)絲制造工藝示意圖

自20世紀(jì)80年代以來，基于快速成型設(shè)計(jì)和研究目的，工業(yè)3D打印機(jī)越來越多地應(yīng)用于服裝、汽車、飛機(jī)、建筑、武器、醫(yī)藥、電腦、太空等多種領(lǐng)域。世界上制造工業(yè)用3D打印機(jī)的公司包括Renishaw、Objet Geometries、Stratasys、3D System和Z Corporation公司。

使用3D打印技術(shù)制作的奧迪RSQ汽車

03. 打印與建筑

長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)建筑技術(shù)存在著人工投入量大、建設(shè)周期長(zhǎng)、環(huán)境污染重、資源浪費(fèi)多、易發(fā)生安全事故、產(chǎn)生較多建筑垃圾等問題。3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于解決這些問題具有重要意義。根據(jù)相關(guān)測(cè)算，3D打印理論上可以節(jié)約建筑材料30～60%，縮短工期50～70%，減少人工50～80%，使建筑成本總體降低50%以上。

荷蘭MX3D公司打印的鋼橋

目前3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域較為成熟的應(yīng)用主要在兩個(gè)階段。一是建筑設(shè)計(jì)階段，主要是用于制作建筑和城市規(guī)劃模型。通過3D打印方式制作的模型，速度快、成本低、工藝精美且綠色環(huán)保。二是建筑施工階段，主要是建造足尺建筑，通俗地說就是“打印”可供居住和使用的房子。國(guó)內(nèi)外一些案例如中國(guó)盈創(chuàng)、美國(guó)“輪廓工藝”、意大利“D-shape”、荷蘭“Kamer Maker”、英國(guó)奧雅納等，都對(duì)建筑3D打印技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得開創(chuàng)性成果。

立體光刻工藝示意圖

2016年，由中建鋼構(gòu)有限公司自主研發(fā)的“一種塔式3D打印機(jī)及其打印方法”獲得國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)首個(gè)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。這項(xiàng)技術(shù)針對(duì)建筑施工作業(yè)塔吊安裝技術(shù)改造而設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)，其控制系統(tǒng)根據(jù)3D 模型的坐標(biāo)位置向機(jī)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制指令來控制塔吊的上下運(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)和打印系統(tǒng)的位置滑動(dòng)，使打印系統(tǒng)精確定位到需要打印的坐標(biāo)位置上，控制物料添加系統(tǒng)向打印系統(tǒng)輸送摻有一定比例粘合劑的建筑物料，并遠(yuǎn)程操作打印系統(tǒng)精準(zhǔn)進(jìn)行3D打印，可以省略大部分手動(dòng)施工作業(yè)，節(jié)約大量勞動(dòng)力、物力，提高施工效率，同時(shí)通過在地上的控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控塔吊的水平和垂直移動(dòng)，避免了塔吊駕駛?cè)藛T高空作業(yè)安全隱患，給現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)提供安全保障。

位于迪拜的全球首座3D打印全功能辦公室

總體而言，建筑3D打印技術(shù)目前仍處于探索階段，存在人才短缺、技術(shù)不成熟、新材料不足、標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善等短板，但是新模式、新技術(shù)和新材料（如釩鈦合金材料）的發(fā)展正在快速?gòu)浹a(bǔ)這些不足。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，基于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來3D打印將在建筑構(gòu)件、雕塑小品、應(yīng)急用房、防風(fēng)固沙、太空基地等方面發(fā)揮重要作用。假以時(shí)日，它必將為建筑業(yè)帶來更加深刻的變化。

04. 打印未來

諾貝爾獎(jiǎng)得主、以色列材料化學(xué)家丹尼爾·舍特曼(Daniel Shechtman)認(rèn)為在未來，“3D打印將會(huì)成為一個(gè)碾壓性的技術(shù)”。中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒預(yù)言未來三至五年，中國(guó)的3D打印應(yīng)用將在航空航天、醫(yī)療、個(gè)性化電子產(chǎn)品領(lǐng)域迎來爆發(fā)，五至十年內(nèi)，3D打印產(chǎn)品將在百姓生活中隨處可見。美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)把3D打印視作第三次工業(yè)革命開始的信號(hào)。

3D打印的限量版首飾，原材料為玻璃纖維填充的染色尼龍

除了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新，這項(xiàng)技術(shù)給環(huán)境帶來的變化也顯而易見。3D打印減少了生產(chǎn)所需原材料的能源，實(shí)現(xiàn)了本地化生產(chǎn)，大大降低了運(yùn)輸所產(chǎn)生的能源消耗和溫室氣體排放。

3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的分布

3D打印技術(shù)也引發(fā)了社會(huì)學(xué)領(lǐng)域的諸多爭(zhēng)議。美國(guó)前財(cái)政部長(zhǎng)勞倫斯·薩默斯(Lawrence Summers)其對(duì)傳統(tǒng)就業(yè)和企業(yè)創(chuàng)新造成消極影響，諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主邁克爾·斯彭斯(Michael Spence)則關(guān)注技術(shù)革新帶來的邊際效益。此外，在打印過程中也會(huì)無可避免地遭遇專利、工業(yè)設(shè)計(jì)使用權(quán)、著作權(quán)、商標(biāo)權(quán)等的保護(hù)問題，如何應(yīng)對(duì)3D打印武器的管理、如何保障3D打印產(chǎn)品如建筑、汽車等的安全性也迫切需要慎重思考，而打印人體組織和器官更是引發(fā)道德倫理方面的激烈討論。

未來海洋城市

毫無疑問的是，在未來，3D打印將徹底改變我們的生活。

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